Актуальность исследования метода получения газожидкостной смеси с пузырьковой структурой обусловлена тем, что двухфазные потоки являются основным рабочим телом в сооружениях очистки природных и сточных вод, в энергетических установках, аппаратах химической технологии, в различных элементах новой техники. В частности, газожидкостные смеси повышенной устойчивости применяются в аэрационных сооружениях для биологической очистки сточных вод.
Современный этап развития сооружений очистки сточных вод характеризуется широким внедрением новых технологий и оборудования. Главной задачей проектирования сооружений биологической очистки для высококонцентрированных сточных вод является создание эффективных соооружений – аэротенков [2].
Вопросы о влиянии различных факторов на процесс биологической очистки в аэротенках подробно изучены [3, 4, 5]. Главным критерием, обуславливающим характеристики аэротенка, является гидравлическая схема его функционирования [3]. В данном исследовании для обеспечения оптимального гидродинамического режима в аэротенках и интенсификации процессов насыщения аэрируемой сточной жидкости кислородом воздуха, а следовательно, и биологической очистки стоков в целом предлагается использовать готовую газожидкостную смесь. В свою очередь, это позволит повысить качество очищенных сточных вод, снизить энергозатраты на очистку и уменьшить объем образующихся при этом осадков.
Газожидкостные смеси повышенной устойчивости являются объектом исследования, а процесс их получения – предметом изучения. Детальное изучение методов получения газожидкостных потоков с пузырьковой структурой важно с практической точки зрения для развития технологий очистки воды, химической технологии, энергетики и других отраслей.
Научная новизна заключается:
1) в научном обосновании и экспериментальном подтверждении целесообразности использования для биологической очистки сточных вод готовых газожидкостных смесей повышенной устойчивости;
2) в составлении математической модели получения двухфазного потока с пузырьковым течением повышенной устойчивости, которая позволит оперативно получать данные о дисперсности и однородности газожидкостной смеси.
Целью исследования являлась разработка методики получения газожидкостных смесей повышенной устойчивости, позволяющих интенсифицировать процессы биологической очистки сточных вод в очистных сооружениях. Для этого был проведен аналитический обзор методов и методик получения газожидкостных смесей, используемых при водоочистке. В рамках проводимых исследований рассмотрены вопросы, связанные с основными закономерностями гидравлического насыщения жидкости газом для биологической очистки сточных вод в аэротенках с применением готовых газожидкостных смесей.
Материалы и методы исследования
К основным мероприятиям, необходимым для обеспечения устойчивой работы систем биологической очистки, относятся:
– выбор оптимальной конструктивно-технологической схемы системы биологической очистки и режимов ее функционирования;
– управление гидравлическими режимами течения потоков и содержанием растворенного кислорода водно-иловой смеси в аэротенке [3].
Для исследования был собран универсальный лабораторный стенд [1], позволяющий получать газожидкостные смеси различной пузырьковой структуры в зависимости от области их применения, а также изучать и определять основные характеристики и гидродинамический режим газожидкостных потоков.
Принципиальная схема универсальной лабораторной установки для получения газожидкостных смесей представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема лабораторного стенда для получения газожидкостной смеси: 1 – центробежный насос НЦ 5/10; 2, 24 – пьезометры; 3, 7, 13 – продувочные вентили; 4, 5, 8, 10, 14, 18 – шланги Ду6; 6, 12 – смотровые колонки; 9, 15 – газосборники; 11, 17, 22 – трубопроводы Ду30; 16 – трубопроводы Ду15; 19 – расходомер жидкости; 20 – клапан Ду30; 21 – бак (100 л); 23, 27 – трубопроводы Ду6; 25 – шайба дроссельная (Ду3, Ду6, Ду10); 26 – расходомер воздуха; 28 – клапан Ду10; 29 – прозрачный рабочий участок
Основными элементами лабораторного стенда являются: центробежный насос 1, бак 21 емкостью 100 л, участок визуализации 29 из стекла, расходомеры воздуха 26 и жидкости 19. Установка работает от электропитания с напряжением, равным 380 В.
В качестве газожидкостной смеси исследовалась водо-воздушная смесь, где сплошной фазой является вода, а дисперсной – воздух.
Лабораторный стенд работает по замкнутому циклу как по воде, так и по воздуху. В связи с этим и ввиду небольшого объема бака не происходит разделения получаемой газожидкостной смеси. То есть полученная смесь газа и жидкости вновь всасывается в насос, что искажает результаты эксперимента (в особенности при повышении расхода воды). Во избежание погрешности в численных значениях расхода воды в баке 21 установлен разделитель с двойным слоем сетки (на рис. 1 условно не показан), размер отверстия которого равен 1,5×1,5 мм. Выбор разделителя осуществлялся на основе максимально достигаемого значения расхода жидкости.
Измерение расхода воздуха осуществлялось по методу перепада давления в сужающем устройстве на участке трубопровода (III–IV), измеренного пьезометром 24. Комплект расходомера воздуха 26 состоит из двухтрубного U-образного прибора давления с видимым уровнем (пьезометра) 24; трубопроводов 23, 27; сужающего устройства 25 и клапана 28.
Для измерения расхода жидкости использовался комплект расходомера жидкости 19, состоящий из следующего аппаратурного оформления: пьезометра 2; газосборников 9, 15; смотровых колонок 6, 12; продувочных вентилей 3, 7, 13; шлангов 4, 5, 8, 10, 14, 18. Измерение расхода жидкости проводилось в зависимости от сопротивления участка трубопровода 11 (I–II).
Были построены градуировочные графики зависимости перепада давления от устанавливаемых расходов жидкости и воздуха ∆Р(G), м3/ч.
Результаты многократных измерений обработаны методом наименьших квадратов путем построения регрессионной кривой.
Кроме того, в научной работе использовались следующие методы исследования:
– теоретический анализ научной литературы, периодических изданий, интернет-ресурсов, а также сравнение и систематизация возможных решений;
– изучение, обобщение традиционной технологии биологической очистки сточных вод и синтез возможного варианта решения;
– аналогия возможного направления совершенствования с отечественными и зарубежными решениями;
– конкретизация выбранного пути совершенствования.
Результаты исследования и их обсуждение
Достоверность результатов исследования и обоснованность выводов подтверждается большим объемом и длительностью исследований, проведенных на лабораторной установке, а также применением стандартизированных методов измерений, анализа и обработки результатов.
В результате лабораторного исследования построены графики зависимости средних диаметров пузырьков воздуха от расхода жидкости и воздуха d(G), представленные на рис. 2 и 3. Максимальный средний диаметр пузырей составляет 5 мм.
Рис. 2. Зависимость диаметров пузырьков от расхода жидкости
Результаты опытов показали, что при установке различных расходов жидкости Gж и воздуха Gв можно получить газожидкостные смеси с различными диаметрами пузырьков воздуха (1–8 мм). При этом режим течения двухфазного потока (для обеих фаз) преобладает турбулентный. Опыт эксплуатации работы аэротенков показывает, что это оптимальные условия для аэрации сточной жидкости [3, 4, 5].
Полученные в ходе лабораторного исследования результаты сведены в таблице.
Рис. 3. Зависимость диаметров пузырьков от расхода воздуха
Результаты измерений
|
Максимально устанавливаемый расход воды, м3/ч |
Максимально устанавливаемый расход воздуха, м3/ч |
Предельные размеры пузырьков воздуха, мм |
Объемное газосодержание, % |
Режимы течения газожидкостной смеси (в зависимости от расходов) |
|
4 |
24,4 |
0–8 |
0–87 |
ламинарный / – турбулентный / ламинарный турбулентный / турбулентный |
В ряде исследований было установлено, что увеличение перемешивания и степени насыщения кислородом воздуха иловой смеси достигается сочетанием крупнопузырчатой и мелкопузырчатой аэрации. Это способствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие фракции, увеличивает скорость поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам, что в свою очередь приводит к повышению скорости очистки сточных вод в аэротенках. За счет интенсивного перемешивания, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, достигается турбулизация газожидкостной смеси, обеспечивающая равномерное распределение ила в сточной воде [3].
Кроме того, результаты исследования и проведенные расчеты показали, что на разработанном лабораторном стенде можно осуществлять варьирование газосодержания в достаточно широких пределах (от 0 до 87 %). Этот факт увеличивает область применения установки и позволяет считать его универсальным, так как получаемые на нем смеси могут применяться как для повышения качества очистки стоков, так и, к примеру, для промывки внутренних полостей (трубопроводов и др.) различных систем [1].
Заключение
На основе лабораторного исследования приведено научное обоснование методики получения газожидкостных смесей повышенной устойчивости, устраняющей недостатки аналогов. Перспективность применения готовых газожидкостных смесей повышенной устойчивости подтверждена экспериментами.
Изучение процессов образования и кинетики газожидкостного потока на универсальном стенде позволит разработать математическую модель дисперсности газожидкостных смесей и дать практические рекомендации их применения, в частности для биологической очистки сточных вод на канализационно-очистных сооружениях.
Применение готовых газожидкостных смесей на очистных сооружениях позволит интенсифицировать процесс биологической очистки сточных вод и снизить степень негативного воздействия на окружающую среду за счет сокращения объемов образующихся осадков.
Рецензенты:Малыгин В.И., д.т.н., профессор, заместитель директора по научной работе, Институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз) (филиал), Северный (Арктический) федеральный университет, г. Северодвинск;
Черевко А.И., д.т.н., профессор, исполняющий обязанности директора Института переподготовки и повышения квалификации (филиал), Северный (Арктический) федеральный университет, г. Северодвинск.
Работа поступила в редакцию 27.12.2014.